CN112283495B - 两自由度压电惯性驱动管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，其包括第一主体、第二主体、柔性连接板、板簧片、压电堆、支撑足、压电振子组件和压电微型注射器，柔性连接板的第一端与第一主体连接，且其第二端通过调节螺栓与板簧片的第一端固定连接，板簧片的第二端上部设有摩擦球，压电堆的第一端和第二端分别与第二主体和柔性连接板连接，支撑足的第一端和第二端分别通过第一螺栓和第二螺栓与第一主体以及第二主体连接，且压电振子设于第一主体上，压电微型注射器设于第二主体上。本发明的管道机器人结构简单，可以在管道内实现多自由度运动，并且第一主体和第二主体间预留较大的空间用来安装执行器或传感器，可以实现在管道内的微操作和检测等功能。

Description

两自由度压电惯性驱动管道机器人

技术领域

本发明属于管道机器人技术领域，特别涉及一种两自由度压电惯性驱动管道机器人。

背景技术

管道作为输送载体，在人类生产、生活中发挥着巨大作用。工业界和医学领域都存在许多的微小管道，如冷凝管、试管、肠道等管道结构，由于受空间狭窄等因素的限制，需要管道机器人具有小巧的体积，灵活的运动以及可靠的控制，所以对能携带探测或维修装置等执行器的微小管内机器人的需求日益增加。惯性驱动(冲击驱动和粘滑驱动)与压电驱动的结合是微小管道机器人重要的驱动方式。但是目前的惯性驱动大多都采用惯性冲击驱动，运动自由度少，并且没有空间和平台安装执行器用来进行管道机器人的执行操作。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种速度可调节、在管道内既可以前进后退，又可以旋转作业，且安装有末端执行器的管道机器人。

本发明采用的技术方案是，一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，其包括第一主体、第二主体、柔性连接板、板簧片、压电堆、支撑足、压电振子组件和压电微型注射器，所述第一主体包括第一通孔、柔性连接板安装槽和第一凹槽，所述第一通孔设于所述第一主体的中间部，且所述第一主体的第一端面对称设有所述柔性连接板安装槽，所述第一主体外侧弧面上对称设有所述第一凹槽，所述第二主体包括第二通孔和第二凹槽，所述第二通孔设于所述第二主体的中间部，且所述第二主体的第一端面对称设有所述第二凹槽；所述柔性连接板呈L型结构，且所述柔性连接板的第一端设于所述柔性连接板安装槽中，所述柔性连接板的第二端通过调节螺栓与所述板簧片的第一端固定连接，且所述板簧片的第二端上部设有摩擦球，所述压电堆的第一端设于所述第二主体的第二凹槽中，且所述压电堆的第二端穿过所述第一凹槽设于所述柔性连接板的柔性连接板凹槽中，所述支撑足呈弯曲结构状，且所述支撑足的第一端和第二端分别通过第一螺栓和第二螺栓与所述第一主体以及第二主体连接，所述支撑足第一端和第二端的凸起处均设有光滑球；所述压电振子设于所述第一主体上，且所述压电振子包括连接轴、压电连接板、金属半圆环和压电片，所述连接轴安装于所述第一通孔中，且所述连接轴的两侧对称设有所述压电连接板，所述压电连接板的第一端设有所述金属半圆环，所述压电片包括四个压电片，且四个所述压电片均设于所述压电连接板上；以及所述压电微型注射器设于所述第二主体上，且所述压电微型注射器包括压电叠堆陶瓷封装部件、第一减震部件、第二减震部件和注射针，所述压电叠堆陶瓷封装部件安装于所述第二通孔中，且所述第一减震部件设于所述压电叠堆陶瓷封装部件上，所述第二减震部件设于所述第一减震部件上，且所述注射针设于所述第二减震部件上。

优选地，所述第一主体的外侧弧面均布设有所述第一连接孔，且所述第一连接孔位于所述第一凹槽的两侧。

优选地，所述第二主体的外侧弧面均布设有所述第二连接孔，且所述第二连接孔位于所述第二凹槽的两侧。

进一步地，所述柔性连接板的第二端设有柔性连接孔，所述板簧片的第一端设有板簧片连接孔，所述调节螺栓穿过所述板簧片连接孔与所述柔性连接孔螺纹连接。

优选地，所述支撑足的第一端和第二端分别设有第一支撑足连接孔和第二支撑足连接孔。

进一步地，所述第一螺栓穿过所述第一支撑足连接孔与所述第一连接孔螺纹连接，所述第二螺栓穿过所述第二支撑足连接孔与所述第二连接孔螺纹连接。

进一步地，所述第二凹槽的中间位置设有压电堆连接孔，所述压电堆调节螺栓与所述压电堆连接孔螺纹连接，且所述压电堆调节螺栓的第一端与所述压电堆的第一端面重合，通过旋转所述压电堆调节螺栓能调节所述压电堆与所述柔性连接板之间的预紧力。

优选地，所述第一主体和第二主体的外径均相等，且所述第一主体的中线轴线与所述第二主体的中线轴线重合，且所述第一主体和第二主体在外侧弧面上均设有减重孔。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，采用压电驱动技术，其具有体积小巧，动态响应频率快等优点。此外以压电惯性为驱动方式的管道机器人与其他管道机器人相比，压电惯性驱动管道机器人具有噪声低、能量损耗小、结构简单等优点。

2、本发明提供的一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，柔性连接板与板簧片之间通过调节螺栓连接，通过调节调节螺栓在板簧片连接孔中的位置，既可调节板簧片至第一主体中心轴线的距离，以便于管道机器人可以适应于不同的管道直径。

3、本发明提供的一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，支撑足与第一主体以及第二主体间均采用螺栓连接，通过调节第一螺栓和第二螺栓在第一连接孔以及第二连接孔中的深度，即可调节支撑足至第一主体中心轴线的距离，以便于管道机器人可以适应于不同的管道直径。

4、本发明提供的一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，采用第一主体和第二主体连接支撑结构，使得机器人中间以及主体上预留了较大的负载空间，并在第一主体与第二主体中间安装压电振子，可以实现机器人在管道内的旋转，实现了机器人的多自由度位移。

5、本发明提供的一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，在第二主体上安装压电微型注射器，使得本发明可以在管内移动的情况下，通过执行器在管内进行微操作，如细胞的破膜和微注射等。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的第一主体结构示意图；

图3为本发明的第二主体结构示意图；

图4是本发明柔性连接板的第一侧视图；

图5是本发明柔性连接板的第二侧视图；

图6是本发明的板簧片结构示意图；

图7是本发明的压电振子组件结构示意图；

图8是本发明的压电微型注射器结构示意图；

图9是本发明的支撑足结构示意图；

图10是本发明的安装于管道中的主视图；

图11是本发明安装于管道中的右视图；

图12是本发明安装于管道中的左视图；

图13是本发明的压电片电极示意图；

图14是本发明的第一种激励信号；

图15是本发明的第二种激励信号；

图16a-16d分别是本发明激励信号下压电振子组件旋转驱动示意图。

主要附图标记：

第一主体1；第一通孔11；柔性连接板安装槽12；第一凹槽13；第一连接孔14；第二主体2；第二通孔21；第二凹槽22；第二连接孔23；压电堆连接孔24；柔性连接板3；调节螺栓31；柔性连接孔32；柔性连接板凹槽33；板簧片4；摩擦球41；板簧片连接孔42；压电堆5；支撑足6；第一螺栓61；第二螺栓62；光滑球63；第一支撑足连接孔64；第二支撑足连接孔65；压电振子组件7；连接轴71；压电连接板72；金属半圆环73；压电片74；压电微型注射器8；压电叠堆陶瓷封装部件81；第一减震部件82；第二减震部件83；注射针84；压电堆调节螺栓9；管道10。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，如图1所示，其包括第一主体1、第二主体2、柔性连接板3、板簧片4、压电堆5、支撑足6、压电振子组件7和压电微型注射器8。

如图2所示，第一主体1包括第一通孔11、柔性连接板安装槽12和第一凹槽13，第一通孔11设于第一主体1的中间部，且第一主体1的第一端面对称设有柔性连接板安装槽12，第一主体1外侧弧面上对称设有第一凹槽13。

优选地，第一主体1的外侧弧面均布设有第一连接孔14，且第一连接孔14位于第一凹槽13的两侧。

如图3所示，第二主体2包括第二通孔21和第二凹槽22，第二通孔21设于第二主体2的中间部，且第二主体2的第一端面对称设有第二凹槽22。

优选地，第二主体2的外侧弧面均布设有第二连接孔23，且第二连接孔23位于第二凹槽22的两侧。

如图1和图4所示，柔性连接板3呈L型结构状，且柔性连接板3的第一端设于柔性连接板安装槽12中，柔性连接板3的第二端通过调节螺栓31与板簧片4的第一端固定连接，且板簧片4的第二端上部设有摩擦球41，压电堆5的第一端设于第二主体2的第二凹槽22中，且压电堆5的第二端穿过第一凹槽13设于柔性连接板3的柔性连接板凹槽33中，支撑足6呈弯曲结构状，且支撑足6的第一端和第二端分别通过第一螺栓61和第二螺栓62与第一主体1以及第二主体2连接，支撑足6第一端和第二端的凸起处均设有光滑球63；

优选地，压电堆5的两端均设置有压电端帽，平面端帽和弧形端帽的尺寸满足其切面能够完整覆盖压电堆5的上下表面。

进一步地，第二凹槽22的中间位置设有压电堆连接孔24，压电堆调节螺栓9与压电堆连接孔24螺纹连接，且压电堆调节螺栓9的第一端与压电堆5的第一端面重合，通过旋转压电堆调节螺栓9能调节压电堆5与柔性连接板3之间的预紧力。

如图5和图6所示，柔性连接板3的第二端设有柔性连接孔32，板簧片4的第一端设有板簧片连接孔42，调节螺栓31穿过板簧片4连接孔与柔性连接孔32螺纹连接。

如图7所示，压电振子7设于第一主体1上，且压电振子7包括连接轴71、压电连接板72、金属半圆环73和压电片74，连接轴71安装于第一通孔11中，且连接轴71的两侧对称设有压电连接板72，压电连接板72的第一端设有金属半圆环73，压电片74包括四个压电片74，且四个压电片74均设于压电连接板72上；

如图8所示，压电微型注射器8设于第二主体2上，且压电微型注射器8包括压电叠堆陶瓷封装部件81、第一减震部件82、第二减震部件83和注射针84，压电叠堆陶瓷封装部件81安装于第二通孔21中，且第一减震部件82设于压电叠堆陶瓷封装部件81上，第二减震部件83设于第一减震部件82上，且注射针84设于第二减震部件83上。

如图9和图10所示，支撑足6的第一端和第二端分别设有第一支撑足连接孔64和第二支撑足连接孔65。

进一步地，第一螺栓61穿过第一支撑足连接孔64与第一连接孔14螺纹连接，第二螺栓62穿过第二支撑足连接孔65与第二连接孔23螺纹连接。

优选地，第一主体1和第二主体2的外径均相等，且第一主体1的中线轴线与第二主体2的中线轴线重合，且第一主体1和第二主体2在外侧弧面上均设有减重孔。

本发明的具体操作步骤如下：

如图1所示，本发明的一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，其包括第一主体1、第二主体2、柔性连接板3、板簧片4、压电堆5、支撑足6、压电振子组件7和压电微型注射器8，柔性连接板3第一端与第一主体1连接，且其第二端通过调节螺栓31与板簧片4的第一端固定连接，且板簧片4的第二端上部设有摩擦球41，压电堆5的第一端和第二端分别与第二主体和柔性连接板3连接，支撑足6的第一端和第二端分别通过第一螺栓61和第二螺栓62与第一主体1以及第二主体2连接，且压电振子7设于第一主体1上，压电微型注射器8设于第二主体2上。如图10～图12所示，将管道机器人放置于管道10中，此时板簧片4上部的摩擦球41以及支撑足6第一端和第二端的光滑球63均与管道内壁接触。

当管道机器人在管道中前进后退时，首先给压电堆5施加图14中t1时刻的激励信号，压电堆5缓慢伸长，带动柔性连接板3弯曲，柔性连接板3弯曲促使柔性连接板3第二端产生位移，进而带动板簧片4产生向上的倾斜，由于摩擦球41的存在，板簧片4在管道10的压力下产生弯曲变形。当摩擦球41与管道10之间的摩擦力大于支撑足6与管道10之间的摩擦力时，压电堆5剩下的伸长位移会促使管道机器人的第一主体1和第二主体2产生向左的位移d。当激励信号到达t2时刻时，压电堆5迅速收缩，此时给第一主体1和第二主体2一个向右的加速度，第一主体1和第二主体2产生向左的惯性力，此时的惯性力与支撑足6与管道10之间的接触摩擦力之和大于由柔性连接板3和板簧片4的恢复力产生的推力，故管道机器人整体会向左位移d，重复循环此过程，机器人会向左位移。给压电堆5施加图15中的激励信号，柔性连接板3和板簧片4会快速弯曲缓慢收缩，首先给压电堆5施加图15中t1时刻的激励信号时，柔性连接板3和板簧片4快速弯曲，此时给第一主体1和第二主体2一个向左的加速度，第一主体1和第二主体2产生向右的惯性力，此时的惯性力与支撑足6与管道10之间的接触摩擦力之和大于由柔性连接板3和板簧片4的弯曲产生的推力，故管道机器人由于惯性力保持静止，当激励信号到达t2时刻时，压电堆5缓慢收缩，此时柔性连接板3和板簧片4的恢复力施加给管道10的压力会使第一主体1和第二主体2有一个向右的推力，此时的推力大于支撑足6与管道10之间的摩擦力，此时机器人向右移动。

若压电片的电极如图13所示，当管道机器人在管道中进行旋转运动时，其操作步骤如下：

(1)压电振子7的初始状态如图16a所示，给压电堆5施加图14所示的激励信号，当激励信号处于上升状态时，压电振子7的压电连接板72缓慢的弯曲带动金属半圆环73的A区域顺时针转过一个微小角度，此时连接轴71的B区域在系统摩擦力矩的作用下保持静止，如图16b所示。

(2)当激励电压信号急剧下降时，压电振子7的压电连接板72急剧向逆时针方向弯曲，这时由于惯性冲击力力矩，金属半圆环73的A区域转过一个较大角度，连接轴71的B区域也转过一定角度，因为信号突变所产生的惯性冲击力矩大于系统的摩擦力矩，如图16c所示。

(3)当激励电压信号完成一个周期时，压电振子7恢复为原形态，如图16d所示，完成一个工作循环，压电振子7带动机器人整体逆时针转动一个微小角度。在周期信号激励下，循环上述过程，即可实现机器人在管道内绕管道轴线的连续转动。通过改变电压信号上升和下降的时间比例，可以实现机器人在管道内绕管道轴线的反向旋转。

另一方面，本发明还可以用来执行细胞的破膜注射操作。当进行破膜注射操作时，首先给管道机器人施加激励信号让其携带压电微型注射器8到达执行操作的位置，其中压电叠堆陶瓷响应速度极快，在高频信号激励下可产生高频振动，故压电叠堆陶瓷封装部件81作为压电微型注射器8的超声振动驱动器，此时给压电叠堆陶瓷施加激励信号使其产生超声振动，通过第一减震部件82和第二减震部件83的连接带动使得注射针84的针尖产生有规律的超声振动，从而实现细胞的无伤破膜，其中第一减震部件82和第二减震部件83用于减小注射针84在高频振动情况下的偏移。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，其包括第一主体、第二主体、柔性连接板、板簧片、压电堆、支撑足、压电振子组件和压电微型注射器，

所述第一主体包括第一通孔、柔性连接板安装槽和第一凹槽，所述第一通孔设于所述第一主体的中间部，且所述第一主体的第一端面对称设有所述柔性连接板安装槽，所述第一主体外侧弧面上对称设有所述第一凹槽，所述第二主体包括第二通孔和第二凹槽，所述第二通孔设于所述第二主体的中间部，且所述第二主体的第一端面对称设有所述第二凹槽；

所述柔性连接板呈L型结构，且所述柔性连接板的第一端设于所述柔性连接板安装槽中，所述柔性连接板的第二端通过调节螺栓与所述板簧片的第一端固定连接，且所述板簧片的第二端上部设有摩擦球，所述压电堆的第一端设于所述第二主体的第二凹槽中，且所述压电堆的第二端穿过所述第一凹槽设于所述柔性连接板的柔性连接板凹槽中，所述支撑足呈弯曲结构状，且所述支撑足的第一端和第二端分别通过第一螺栓和第二螺栓与所述第一主体以及第二主体连接，所述支撑足第一端和第二端的凸起处均设有光滑球；

所述压电振子设于所述第一主体上，且所述压电振子包括连接轴、压电连接板、金属半圆环和压电片，所述连接轴安装于所述第一通孔中，且所述连接轴的两侧对称设有所述压电连接板，所述压电连接板的第一端设有所述金属半圆环，所述压电片的数量为四个，且四个所述压电片均设于所述压电连接板上；

所述压电微型注射器设于所述第二主体上，且所述压电微型注射器包括压电叠堆陶瓷封装部件、第一减震部件、第二减震部件和注射针，所述压电叠堆陶瓷封装部件安装于所述第二通孔中，且所述第一减震部件设于所述压电叠堆陶瓷封装部件上，所述第二减震部件设于所述第一减震部件上，且所述注射针设于所述第二减震部件上。

2.根据权利要求1所述的两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，所述第一主体的外侧弧面均布设有第一连接孔，且所述第一连接孔位于所述第一凹槽的两侧。

3.根据权利要求2所述的两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，所述第二主体的外侧弧面均布设有第二连接孔，且所述第二连接孔位于所述第二凹槽的两侧。

4.根据权利要求1所述的两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，所述柔性连接板的第二端设有柔性连接孔，所述板簧片的第一端设有板簧片连接孔，所述调节螺栓穿过所述板簧片连接孔与所述柔性连接孔螺纹连接。

5.根据权利要求3所述的两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，所述支撑足的第一端和第二端分别设有第一支撑足连接孔和第二支撑足连接孔。

6.根据权利要求5所述的两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，所述第一螺栓穿过所述第一支撑足连接孔与所述第一连接孔螺纹连接，所述第二螺栓穿过所述第二支撑足连接孔与所述第二连接孔螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，所述第二凹槽的中间位置设有压电堆连接孔，压电堆调节螺栓与所述压电堆连接孔螺纹连接，且所述压电堆调节螺栓的第一端与所述压电堆的第一端面重合，通过旋转所述压电堆调节螺栓能调节所述压电堆与所述柔性连接板之间的预紧力。

8.根据权利要求1所述的两自由度压电惯性驱动管道机器人，其特征在于，所述第一主体和第二主体的外径均相等，且所述第一主体的中线轴线与所述第二主体的中线轴线重合，且所述第一主体和第二主体在外侧弧面上均设有减重孔。

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